（机械电子工程专业论文）客车气压制动系统时延分析及其控制技术研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 客车气压制动系统在工作过程中，因为驾驶员反应、力与信号传递和执行机 构动作等，致使车辆最终制动结果比期望的时间滞后，此即制动系统的时延；显 然，这会影响客车的制动性能和制动过程中的行驶状态，并可能会因制动不良而 导致交通事故。目前，在客车气压制动系统及其控制的研究中，没有充分考虑时 延特性，多是依据经验或实验数据将系统时延设定为一个冗值，缺乏系统地理论 分析。 随着车辆安全性能要求的不断提高，客车主动安全控制的研究与应用得到了 不断发展；气压制动系统作为其中的重要组成部分，其时延及其主动控制问题也 同益突出。客车电子和网络控制技术的飞速发展与应用为制动系统时延的实时动 态控制提供了实施的基础；同时，也对时延及其控制的理论研究提出了新的要求， 因为“精确的控制需要精确的理论模型”。本文针对客车气压制动系统的时延问 题，采用理论研究、试验和仿真相结合的方法，系统深入地研究制动系统中气动 回路压力响应、执行机构动作和控制网络信号传输等时延的理论特性，以及时延 的控制策略与方法，旨在主动实时有效地控制客车气压制动系统的时延，减小对 制动性能的影响，改善客车制动过程中的行驶状态。论文的主要研究工作如下： ( 1 ) 在介绍客车气压制动系统的结构及其工作过程的基础上，分析客车制 动过程的时间特性，提出客车气压制动系统时延的组成；推导客车气压制动系统 时延所引起的纵向制动距离偏差和横向漂移量的计算公式，从而分析客车气压制 动系统时延对客车制动性能的影响。 ( 2 ) 采用理论分析与试验相结合的方法，研究客车气压制动系统气动回路 制动控制阀的时延特性：建立客车气压制动系统制动回路压力响应时延的数学模 型；通过仿真与试验，分析客车气压制动系统气动回路的压力响应时延特性；采 用p w m 控制方式，对客车气压制动系统气动回路压力响应时延的控制进行试验 研究，论证其可控性，提出控制方法。 ( 3 ) 采用等效原理，将客车气压制动系统执行机构各构件产生的累积动作 延迟问题等效为制动块与制动盘之间的距离变化问题，建立执行机构的动力学方 程，推导接触力的计算公式，提出执行机构动作时延的计算方法，并通过仿真与 试验予以验证。 武汉理工大学博士学位论文 ( 4 ) 依据组态模式，构建客车气压制动控制网络系统，分析其信号传输时 延的组成；根据c a n 协议的通信规范，提出控制网络系统信号传输时延的计算 方法；建立客车气压制动系统控制网络试验系统，进行信号传输的时延试验，进 一步分析控制网络系统信号传输的时延特性。 ( 5 ) 为了实施客车气压制动系统时延控制，建立客车气压制动过程的动力 学模型，用于描述客车在制动过程中的行驶状况，并验证模型的正确性和有效性。 以此为基础，针对客车气压制动系统的时延，提出客车气压制动系统时延控制的 策略和方法。 论文的工作结果是客车气压制动系统的设计与开发，以及实现实时动态精确 控制的理论基础和应用技术，将有利于增强客车气压制动系统及其控制的性能， 提高客车气压制动的安全性、稳定性和精确性，保证客车在制动过程中的正确行 驶状态，从而提升客车的主动安全性能。 关键词：客车，气压制动系统，时延分析，时延控制 i i 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s e 、o fm ed r i v e rr e a c t i o n ，f o r c ea i 】l ds i g n a lt r a n s m i s s i o n ，a c t u a t o rm o v e m e n t i nt h ew o r k i n gp r o c e s so f b u sp n e u m a t i cb r d i ( i n gs y s t e m ，m eb r a k i n gt i n l el o n g e rt h a n t h ee x p e c t a t i o n ，“si st h ed e l a yt i m eo f b r 挝n gs y s t e m o b v i o u s l y ，m ed e l a yt i m e 谢l la 能c t b u sb r d b n g p e 、o n l l a l l c e ，a 1 1 dm a yc a u s et 珊i ca c c i d e md u et ou n d e s i r e d b r a k i n g a tp r e s e n t ，i nt h er e s e a r c hf i e l d so fb u sp n e u m a t i cb r a ：虹n gs y s t e ma n di t s c o n t r o l ，m ed e s i g n e rd on o tc o n s i d e rt 1 1 e t i i i l ed e l a yc h a r a c t e r i s t i c ss u m c i e n t l y ，a n d u s u a l l ys e tt h ed e l a yt i m ef o rar e d u n d a i l c yv a l u ea c c o r d i n gt o e x p e r i e n c eo r e x p e r i m e m a ld a t a ，a 1 1 dt l l a t1 a c ko fs y s t e m a t i c 也e o r e t i c a la n a l y s i s a l o n gw i t h 让l ec o n t i m l o u s l yi m p r o v e m e mo ft h er e q u i r e m e n to fv e l l i c l es 甜e t y p e r f o r m a n c e ，t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fb u sa c t i v es a r yc o n t r 0 1p r o b l e mh a v e b e e nr a p i d l yd e v e l o p i n g p n e u m a t i cb m 妇g s y s t e mi sa ni i i l p o r t a n tp a r to fm eb u s ，i t s t i m ed e l a ya 1 1 da c t i v ec o l l t r o lp r o b l e mb e c o m ep r o m i n e n t t h er 印i d l yd e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o no fb u se l e c t r o i l i ca n dn e t v i r o r kc o n t r o lt e c h n o l o g y p r o v i d ea n i m p l e m e n t a t i o nb a s i sf o rb r a k n gs y s t e md e l a yt i m er e a l t i m ed y n 姗i cc o n t r o l ，a n d p r o p o s ean e wd e m a n df o rt h et h e o 巧r e s e a r c ho fd e l a yt i m ea n di t sc o n t r o l ，b e c a u s e a c c u r a t ec o n 仃o ln e e da c c u r a t et h e o r ym o d e l t h ep a p e r 士o c u s e so nt h ed e l a yt i m e p r o b l e m o fb u sp 1 1 e u m a n c b r a ：虹n gs y s t e m ，a d o p tt h em e m o d 也a tc o m b i n e s t 1 1 e o r e t i c a l r e s e a r c h ，e x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n ，s y s t e m a t i c a l l ys t u d yt h et h e o 巧 c h a r a c t e r i s t i co fp n e u m a t i cc i r c u i tp r e s s l l r er e s p o n s ed e l a y ，a c t u a t o ra c t i o nd e l a ya 1 1 d c o n t r 0 1n e t 、v o r ks i g n a lt r a j l s m i s s i o nd e l a y ，a 1 1 dd e l a yt i m ec o n t r 0 1s t r a t e g ya n dm e t l l o d ， i no r d e rt oe 髋“v e l ya c t i v ec o m o lb u sp n e 啪a t i cb r a k i n g s y s t e m sd e l a yt i m e ， r e d u c ei t si n n u e n c eo nb r d k i l l gp e r f b n n a n c e ，i m p r o v eb u sb r a k i n gs t a t e t h em a i n r e s e a r c h e so ft h i sp 印e ra sf o l l o w s ： ( 1 ) b 2 l s e do nt h ep r e s e n t a t i o no f b u sp n e u m a t i cb r a k es y s t e m ss t m c t u r ea n di t s w o r 妊n gp r o c e s s ，a n a l y s et h et i m ec h a r a c t e r i s t i co f b u sb ra ：k i n gp r o c e s s ，p r o p o s et h e d e l a yt i m ec o m p o s i t i o no fb u sp n e u r n a t i cb r a h n gs y s t e m ，d e d u c et h ec a l c u l a t i o n f 0 n n u l ao fl o n g i t u d i n a lb r a ：k i n gd i s t a n c ed e v i a t i o na n dl a t e r a ld i s p l a c e m e n tw 】d c hi s c a u s e db ym ed e l a yt i m eo fb u sp n e u i n a t i cb r a 玉( i n gs y s t e m ，t 1 1 u sa n a l y s ed e l a yt i m e i i i 武汉理工大学博士学位论文 i n f l u e n c eo nb u sb r a “n gp e r f o 衄a c e ( 2 ) b ym e a n so fm em e m o dt h a tc o m b i n e st 1 1 e o r e t i c a la n 2 l l y s i sa 1 1 de x p e r i m e n t ， s m d yt h et i m ed e l a yc h a r a c t e r i s t i co fb u sp n e u m a t i cb r a ：k i n gs y s t e m a i rc i r c u i t b ra ：b n gc o n t r o lv a l v e e s t a b l i s hp n e 岫a t i cb ra ：k i n gs y s t e mb r a k i n gc i r c u i tp r e s s u r e r e s p o n s ed e l a yt i m em a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n a l y s eb u sp n e u n l a t i cb r a l ( i n ga i rc i r c u i t p r e s s u r er e s p o n s ed e l a yc h a r a c t e r i s t i c sb ys i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t u s ep w m c o n t r 0 1m o d et oc a r vo u tb u sp n e 啪a t i cb r a ：虹n gs y s t e ma i rc i r c u i tp r e s s u r er e s p o n s e t i m ed e l a yc o n t r o lt e s t ，p r o v ei t sc o n 仃0 1 l a b i l i 吼a n dp r o p o s ec o n 协o lm e 也o d ( 3 ) u s i n ge q u i v a l e mp m c i p l e ，t h ec u m u l a t i v e 枷o nd e l a yp r o b l 锄w h i c hi s c a u s e db yb u sp n e 啪a t i cb r a k i n gs y s t e ma c t u a t o rc o r n p o n e n t si se q u i v a l e mt ot 1 1 e d i s t a l l c ec h a n g eb e 铆e e nb r a k eb l o c ka i l dd i s c ，e s t a b l i s ha c m a t o r sd y n a m i ce q u a t i o n ， d e d u c ec o n t a c tf o r c ec a l c u l a t i o nf o 衄u 1 巩p r e s e n ta c t u a t o ra c t i o nd e l a yt i m e s c a l c u l a t i o nm e m o d ，a n dv e r i 母i tb ys i m u l a t i o na i l de x p e r i m e m 。 ( 4 ) b a s e do nt h ec o i i f l g u r a t i o nm o d e ，c o n s 讯l c tm eb u sp n e u m a t i cb r 反k i n g c o n t r o ln e t 、v o r ks y s t e m ，a 1 1 a l y s es i g n a l 仃a n s m i s s i o nd e l a yt i m e sc o i n p o s i t i o n a c c o r d i n gt om ec o m m u l l i c a t i o ns p e c i f i c a t i o no fc a n ，p r o p o s ec a l c u l a t em e 戗l o do f c o n _ n 0 1n e 觚o r k s s i g l l a l 仃a 1 1 s m i s s i o nd e l a yt i m e b u i l db u sp n e u m a t i cb r a k i n g s y s t e mc o n t r o ln e t w o r kt e s ts y s t e m ，a n dc a r r yo ns i g n a lt r 眦s m i s s i o nd e l a yt e s 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y s t e ma n di t sc o n _ t r 0 1 ，i m p r o v eb u sp n e u m a t i cb r a ：k i n gs a f e 饥s t a b i l i t ) ra n d a c c u r a c y ，e n s u r eb u sh a v ec o r r e c tm 【1 1 1 i n gs t a t ei nb r a k i n g ，s oa st oe n h a n c et h eb u s a c t i v es a f e t yp e r f o n n 觚c e k q 啊o r d ：b u s ，p n e u m a t i cb r 出i n gs y s t e m ，d e l a yt i m ea n a l y s i s ，d e l a y r i m e c o n t r o l 武汉理工大学博士学位论文 论文中主要符号说明 符号含义单位 驾驶员的反应时间、制动系统起作用时间、 l 、f 2 、l 、 s 持续制动时间、解除制动时问 、s 2 、邑、q 、吒、毛、_ 时间内分别行使的距离 m s 、心k t时延引起的纵向距离偏差、横向位移 m 气源压力、控制阀出口压力、 p q 、p i 、p 2 、p c p a 管路出口压力、气室内的压力 互、乏、瓦 控制阀出口温度、管路出口温度、 k 气室内的温度 、圪 制动管路、制动气室的容积m 3 4 制动气室活塞面积m 2 k绝热系数，对空气k = 1 4 r气体常数，对空气r = 2 8 7n m ( 蚝k ) 仃 执行机构摩擦块与制动盘问的问隙m 聊b 制动块总质量蚝 p b 执行机构摩擦块与制动盘问的摩擦系数 r 确c t c 盘式制动器的有效作用半径m 信号组帧时间、报文排队抖动时间、 移p t 、厶、 s 报文传输等待时间 报文传输时间、报文传播时间、 c m 、p 。、口 s 报文接收时间、信号解析时间 r 通信网络时延 s 瓦 报文优。的周期 s d k报文聊。的截止期 s 最报文的优先级 v 武汉理工大学博士学位论文 蜉、哆 纵向速度、横向速度 m s 沙 横摆角 r a d 串| y横摆角速度 r a d s 以 期望横摆角速度删s b t 期望质心侧偏角 r a d f x 、f y 汽车的纵向力、横向力n f 小f 诳 第f 个轮胎的纵向力、横向力n 占客车前轮转向角r a d m客车整车质量 k g 丁轮距m t f 、l r 前轴距、后轴距m k 、如、如客车相对于o x 、o y 、o z 轴的转动惯量 k g m 2 车轮的有效转动惯量 埏m 2 左前轮轮速、右前轮轮速、 & 枷、n 涉、小， r a d s 左后轮轮速、右前轮轮速 左前轮制动力矩、右前轮制动力矩、 砀、瓦， n m 左后轮制动力矩、右前轮制动力矩 g 重力加速度 蚝州s 2 0 【轮胎的侧偏角r a d 九轮胎的滑移率 车轮的有效半径m 矗c g 到地面的高度m 昏厨 前轮胎、后轮胎的侧偏刚度 n r a d c 九轮胎纵向刚度 n 轮胎与路面的摩擦系数 m d 期望横摆力矩 n m 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文的研究对象与研究背景 1 1 1 论文的研究对象 客车气压制动是指以压缩空气作为制动力的传输媒介，将压缩空气的压力 转换为对车轮的制动力，实现客车减速制动的方式。气压制动系统具有洁净无 污染、结构形式简单、资源充足、防火等特点，目前已广泛应用于载货汽车、 越野车和客车上，其中客车气压制动系统的安装率已超过5 0 。 客车气压制动系统主要包括：刹车踏板、气源设备、气压传动系统、执行 机构和基于网络的控制系统等多个部分【卜2 j ，如图1 1 所示。依据道路状况，驾 驶员踩踏刹车踏板，将驾驶员的意图转化为刹车踏板的运动位移；刹车踏板运 动带动脚制动阀开启，气源设备中的压缩气体经气压传动系统将制动压力传递 给执行机构；执行机构将制动压力转化为制动力矩施加给车轮，从而实现客车 减速制动；基于网络的控制系统采集车辆状态、踏板行程、气体压力、执行机 构的状态、轮速等信息，同时输出控制信息；各部分之间的信息交互以控制网 络为平台实现。 i 一一一i 一一一一- ；驾驶员意图叶t _ j 车辆制动j ：一一厂一一j ：一一一- 二 刹车踏板气压传动系统执行机构车轮 图1 一l 客车气压制动系统工作示意图 客车气压制动系统在工作过程中， 由于驾驶员踩踏刹车踏板的反应过程、 当驾驶员踩踏刹车踏板执行制动操作时， 力与信号的传递过程和执行机构的动作 武汉理工大学博士学位论文 过程需要时耐 ，致使客车最终的制动比期望的时问滞后，该滞后时间即为客 车气压制动系统的时延，主要包含刹车踏板、气压传动系统、执行机构和控制 网络等部分的时延。 客车气压制动系统时延会导致实际的制动力滞后于客车所需的期望值，将 对客车制动性能产生影响。针对客车气压制动系统的时延，本文主要从气动回 路、执行机构、控制网络这三个方面系统地进行分析，并对各部分时延进行理 论研究，不考虑驾驶员反应时延和刹车踏板时延；其中，气动回路与执行机构 具有耦合特性，这两部分的时延不能简单等效于它们之和，本文分别分析这两 部分的时延特性，然后将两者作为一个整体来进行时延控制研究。 客车气压制动系统时延可能导致车辆每个车轮的制动力矩作用时间不一 致，使车辆出现横向漂移，即发生横向摆尾，严重的会出现侧翻。本文在研究 客车气压制动系统时延导致横向漂移的基础上，通过时延控制，可有效减少这 些现象发生的几率。 客车气压制动系统控制网络为气压制动系统中各电控单元提供了一个信息 交互与共享的平台，本文所指的控制网络是利用客车上现有的控制网络，增加 客车气压制动控制必须的控制网络节点，采用信号共享的方式，链接所需的控 制节点，采集所需的控制信号，运用组态的方式构建客车气压制动系统控制网 络，与客车上其它电控单元共享一条通信总线。 为了更进一步满足客车气压制动控制安全性、稳定性和精确性的要求，本 文针对客车气压制动系统的时延，研究客车气压制动时延控制技术，旨在主动 实时有效地控制客车气压制动系统的时延，使得客车气压制动更为精确，减小 时延对制动性能的影响，从而改善客车制动过程中的行驶状态。 1 1 2 论文的研究背景 汽车安全事故多是因为车辆出现故障、违规驾驶、道路损坏等因素造成， 而制动距离不足造成的追尾、车轮抱死失去转向能力等造成的纵向碰撞、轮胎 侧滑造成的甩尾或冲出道路等是其主要诱因【5 】。在交通运输中，客车是中短距离 间运载乘客的重要交通工具之一，它的行驶安全性直接关系到乘客的人身财产 安全。近几十年来，针对不同的控制指标，各大汽车制造商和研发机构投入了 大量的人力和物力开发了多种车辆安全控制系统。如制动防抱死控制系统 ( a n t i 1 0 c kb r a k i n gs y s t e m ，a b s ) ，通过对客车车轮滑移率的控制来缩短客车的制 武汉理： 大学博士学位论文 动距离，减小制动时间，提高客车的制动安全性，国家相关法律条文中已规定 大型客车必须安装a b s 装置；牵引力控制系统( t r a c t i o nc o m r o ls v s t e m 。t c s ) 用于在车辆起步阶段对车辆的牵引力和制动力进行控制，防止车轮滑转，保持 车轮的抓地力，避免车辆侧滑；电子稳定性控制系统( e l e c t r o i l i cs t a b i l 时p r o g r a m ， e s p ) 的作用是避免客车在行驶过程出现转向不足或过度转向的情况，目前很多 高级客车上已安装，以提高客车的行驶稳定性【6 】。 这些车辆主动安全控制系统都是从控制的角度出发，期望通过对制动力的 合理控制，实现车辆行驶的安全控制，提高车辆的行驶安全性和稳定性。然而， 在实际行驶过程中，由于客车气压制动系统时延的存在，各轮的制动力没有达 到车辆控制器预期的要求可能会导致交通事故，即制动不良或制动失当引起的 交通事故【7 省j 。据我国道路交通事故统计显示，客车制动系统故障所导致的交通 事故中，制动失效或制动不良引起的交通事故占较大比重，并且通常会造成更 多的人员伤亡和严重的经济损失【9 】。美国联邦公路运输安全管理局与美国高速公 路安全管理局对非人为因素造成的交通事故统计显示，大约三分之一的公路安 全事故是由于车辆制动系统故障或制动不良所引起的【1 0 _ 1 1 】。 由于客车上使用的制动控制装置没有充分地考虑气压制动系统的时延特 性，并且在开发过程中缺乏对气压制动系统的时延进行系统地理论分析，忽略 了气压制动系统时延对客车制动性能影响，单一的通过对制动力进行合理分配 的方法已不能满足人们对客车气压制动控制安全性、稳定性和精确性的要求。 通常情况下，设计人员在进行客车气压制动控制系统设计时根据经验或实 验数据将客车气压制动系统的时延设定为一个冗值予以考虑【8 】；但是，这个冗值 缺乏理论依据，并且客车气压制动系统的时延在实际工作过程中会随着运行环 境状态而发生变化。若以冗值来设定客车气压制动系统的时延将会导致客车气 压制动控制的不精确性，并且当客车气压制动系统的时延大于冗值时将会导致 制动不良或制动不当等交通事故。 随着对车辆安全性能要求的不断提高，客车主动安全控制问题的研究与应 用得到了不断发展；气压制动系统作为其中的重要组成部分，其时延及其主动 控制问题也日益突出。客车电子和网络控制技术的飞速发展与应用为制动系统 时延的实时动态控制提供了实施的基础，同时也对时延及其控制的理论研究提 出了新的要求，因为“精确的控制需要精确的理论模型”。因此，在进行客车气 压制动控制系统设计与开发时，需要系统深入地研究客车气压制动系统时延的 理论特性，充分考虑气压制动系统时延对制动性能的影响，系统地研究客车气 武汉理工大学博士学位论文 压制动系统时延的控制方法，减小时延对制动性能的影响，进一步提高客车制 动的精确性。 大量研究表明，客车气压制动系统的时延具有可控性；其中控制网络信号 传输时延与报文在网络中传输的时间有关，它会受到网络负载率、环境等因素 的影响，通过网络调度的方法实时动态调整报文发送的先后顺序可减小信号传 输时延l i2 j ；气动回路压力响应时延会受到环境、空气杂质、管路泄漏情况等因 素的影响，但是气动回路输出的制动力与制动气室内的压力有关，有研究表明 提升制动气室内的压力响应速率可减小压力响应时延【1 3 1 5 】；执行机构动作时延 会受到机构磨损、制动间隙等因素的影响，在工作过程中执行机构各构件产生 的机械磨损最终会引起制动间隙增大，通过增大制动气室内的压力，提高制动 块克服制动间隙时的运动速率可减小执行机构的动作时延。因此，基于客车气 压制动系统控制网络采用分布式控制方式对控制网络信号传输时延、气动回路 压力响应时延、执行机构动作时延进行主动有效控制，可达到减小客车气压制 动系统时延对制动性能影响的目的。 1 2 论文主要研究内容的国内外研究现状 本文以气压制动客车为研究对象，针对客车气压制动系统的时延问题，分 析其理论特性，研究客车气压制动时延控制技术。与本文主要研究内容相关的 国内外研究现状主要涉及客车气压制动气动回路的压力响应时延、客车气压制 动执行机构的动作时延、客车气压制动控制网络的信号传输时延、客车气压制 动时延控制技术等方面。 1 2 1 客车气压制动气动回路的压力响应时延 随着汽车技术的不断发展，气动技术在客车上的应用越来越广泛，气动门、 气压制动系统、气动悬架等很多车载装置都采用气动技术 1 6 1 。客车气压制动气 动回路为气压传动装置，它包括空气压缩机、储气罐、四回路保护阀、继动阀、 脚制动阀、手制动阀、控制阀、快放阀、管路、制动气室等部件，国内外专家 和学者在气压制动气动回路压力响应特性方面的研究主要集中于气动回路中各 部件的动态特性方面。 气动回路中各类阀的功能是对气动回路实现通断操作或对回路内的气体流 量大小进行调节，关于阀类部件方面的研究主要集中在阀的动态响应特性和阀 4 武汉理工大学博士学位论文 的内部结构设计等方面。文献【1 。7 2 0 对调节阀进行了三维流场建模，根据压缩气 体在阀内部的流动特性，对其进行了动态特性分析，对阀的结构进行优化；文 献【2 m z j 通过对继动阀在卡车、半挂车上应用及常见故障的分析，对继动阀的结 构进行设计并提出设计方案；文献【2 3 埘j 对汽车制动阀的静态特性和动态特性进 行了试验和仿真研究；文献【2 5 。2 6 j 针对气压a b s 电磁阀的工作特性进行了分析， 研究其阀芯动作特性、输出压力特性等。文献【2 7 粕1 对汽车防抱制动系统气压电 磁调节器的工作特性进行了分析，介绍了台架试验项目设置的理由和试验方法， 对防抱死制动系统电磁阀的性能评价进行阐述。 制动管路布置在客车底盘上，为压缩气体的流动提供了通道，压缩气体在 管路中的流动特性影响客车气压制动系统制动力的响应特性。文献【2 9 - 3 0 】对管道 中流体的特性进行了仿真与计算，分析了管道中流体的压力与流量特性；文献 p h 4 j 针对一维非定常激波管内流动问题，采用b o l t z m a n n 模型方程的气体运动论 数值计算方法，设计了几种求解离散速度分布函数不同精度的差分显式与隐式 气体运动论数值格式；文献 3 孓3 6 】对汽车气压制动系统的制动管路进行了分析， 从管路材质、布置形式等方面出发，设计不同的实验，分析了管路材质和布置 形式对整车制动系统性能的影响，并对制动管路的结构参数进行优化，选择合 理的布置形式，以减小客车制动的协调时间，提高客车的制动安全性；文献【3 7 4 0 】 建立了汽车制动管路波动效应仿真模型，进行了汽车制动管路压力波动特性仿 真与试验，并设计了汽车防抱制动管路波动效应负载发生装置结构； 制动气室将气体压力转化为活塞顶杆的推力。关于制动气室的研究主要集 中于物理建模、结构改进设计、气室的动态响应等方面。文献对一种双膜片 弹簧制动气室的结构进行了有限元分析，对制动气室内部的有效承压面积进行 了计算，为制动气室的设计提供了依据；文献【4 2 埘l 对制动气室的工作过程进行 了分析，建立了制动气室的充放气模型，并对气室压力的动态响应特性进行了 仿真分析；文献【4 5 j 对汽车弹簧制动气室的漏气问题进行了探析，指出9 0 以上 的制动气室失效原因是泄漏造成的。 除了对气压制动气动回路中单个部件的动态特性及结构进行了研究之外， 还有专家将整个气压制动气动回路作为一个整体，将各部件的模型连接起来， 分析其动态特性。文献【4 6 巧o 】通过对汽车气压制动系统整体结构和制动过程的分 析，对气压制动系统中a b s 制动阀、气压盘式制动器等各关键部件分别进行物 理建模，完成了对气压制动系统整个制动过程物理建模。文献【5 1 。5 2 】提出了一种 气压制动系统泄漏量建模方法，建立了气压制动系统的泄漏模型，并对气压制 武汉理工大学博士学位论文 动系统的泄漏情况进行诊断和估计，开发了一种气压制动客车诊断装置，通过 对制动气室的制动压力进行非线性建模和预测，达到制动系统泄漏情况诊断的 目的。由于制动系统的反应时间是衡量制动系统性能的关键参数之一，文献【5 3 】 通过气压制动系统建模分析，开发了制动系统性能检测设备用于测量制动系统 的响应时间。 总之，国内外在气压制动气动回路方面进行了较多分析与试验，主要是阀 的特性分析、管路材料及布置形式对制动系统性能的影响、制动气室的结构与 特性分析等方面。但较少有人对气压制动系统气动回路的压力响应时延进行系 统地分析，并进行理论研究；同时没有考虑到实际工程中环境、空气杂质等因 素对压力响应时延的影响。因此有必要对气动回路压力响应时延进行理论分析， 研究其时延的理论特性，并分析其对客车气压制动性能的影响。 1 2 2 客车气压制动执行机构的动作时延 客车气压制动系统的执行机构将制动气室活塞顶杆的推力传递给制动块， 制动块与旋转元件接触形成制动力矩对车轮实施制动，其响应时间即为执行机 构的动作时延，它会影响车辆的制动性能【5 4 巧引。目前在客车气压制动系统中常 用的执行机构有盘式制动器和鼓式制动器，由于盘式制动器具有稳定性好、散 热性好等优点，已广泛应用于大型客车、卡车制动系统。 国内外研究机构和学者主要针对其制动力矩的输出特性进行了较多研究。 盘式制动器在制动过程中，制动盘由于安装误差或磨损不一致，导致制动盘在 与制动块摩擦的过程中引起端面跳动，从而导致制动力矩出现波动。文献【5 6 5 7 】 针对制动力矩波动这种情况进行了数学建模与仿真，分析了引起制动力矩波动 的原因，提出了减小力矩波动的方法；文献 5 黔6 0 】针对制动器制动力矩波动特性 进行了理论分析，并设计了不同类型的试验来研究制动盘端面跳动、厚薄差等 因素对制动力矩的影响：制动器在工作过程中，制动盘与制动块摩擦，制动盘 会发生热变形，这也是导致制动力矩波动的重要因素之一，文献【6 1 6 7 采用三维 软件建立盘式制动器的三维模型，运用a n s y s 、a b a q u s 等有限元分析软件对 制动盘在摩擦生热状况下的热机耦合特性、瞬态温度场进行了分析，并与试验 结果进行对照，提出改进措施，为制动器的设计提供理论依据和参考。 执行机构输出制动力矩波动通常会引起制动噪声和制动抖动等现象。文献 州分析了气压盘式制动器制动噪声的产生原因和影响因素，并对制动器的结 6 武汉理工大学博士学位论文 1 2 4 客车气压制动时延控制技术 随着人们对客车性能的要求逐渐提高，客车的安全控制技术已成为研究的 热点，在安全控制方面大多通过制动控制来提高客车的安全性和行驶稳定性 引。1 驯。研究客车气压制动时延控制技术首先需要建立合适的车辆动力学模型， 然后研究时延控制策略与控制算法。 在进行车辆动力学建模时，首先需要了解所研究的车辆的性能和结构，文 献【1 2 4 1 2 5 j 介绍了汽车各部分的结构和工作原理，以及各部件工作时候的受力情 况。常用的车辆动力学建模方式有三种：建立系统运动微分方程、非完整系统 动力学方法和多体系统动力学方法。文献【1 2 6 以2 9 1 全面介绍了车辆动力学的基本力 学原理、建模方法、仿真、分析方法等，并介绍了车辆关键部件的结构、力学 性能以及相关参数。车辆动力学模型包含整车动力学模型、轮胎模型、制动器 模型、车轮转动模型、操纵模型等，按照控制系统的需求将这些模型进行组合， 确定它们之间的连接关系，构建所需的车辆动力学模型。h s u e h y l a nl u 等人根 据车辆的整车特性和控制需求，建立了1 4 自由度的整车模型，包含车辆操纵模 型、轮胎模型等，通过试验验证了模型的有效性【1 3 0 1 3 。s a g l 锄等人将车辆的多 体动力学模型简化为低阶车辆操纵模型【1 3 2 1 。文献1 3 3 1 设计了一种动态车辆模型架 构，能够适用于不同的轮胎模型，只需将车辆底盘模型、空气动力学模型、l u g r e 轮胎模型整合在一起就可以组建一个新的四轮转向车辆模型。国内在车辆动力 学建模方面主要是根据所研究的控制需求建立局部的车辆模型。吉林大学郭孔 辉院士等人建立u n i t h e 轮胎模型，并与m a g i cf o m u l a 轮胎模型进行比较分析 3 4 “3 5 j 。随着计算机仿真技术的不断发展，各种车辆动力学仿真软件在汽车领域 得到广泛应用，研究人员可以根据实际车辆的参数在仿真软件中建立车辆动力 学模型，该模型与实际车辆相类似，目前常用的车辆动力学仿真软件有a d a m s 、 c a r s i m 、t r u c k s i m 、心c s i m ，它们都能与m a t l a b s i m u l i n k 进行通信，便于研究 者进行控制系统开发【1 3 昏b 引。 考虑到客车气压制动系统的时延特性，客车气压制动时延控制是对期望输 出的制动力进行修正，使得期望制动力能快速输出。a b s 控制器是为了将轮胎 滑移率控制在最佳范围之内，使轮胎获得最大的制动力，避免车轮抱死，失去 转向能力的控制装置。国内外专家学者针采用滑模控制、p i d 控制、逻辑门限值 控制等控制算法，实现对滑移率进行跟踪控制【1 4 0 j 删。文献【1 4 5 】研究了一种智能 化的电控气压制动系统，制定了适合于电控气压制动系统的制动力分配策略， 武汉理工大学博士学位论文 研究了制动力控制算法，并对车辆的制动过程进行了仿真分析。蒋科军等人根 据a b s 的控制流程，基于滑移率控制开发a b s 双模糊控制器，在m a t l a b s i m u l i i l k 环境仿真双模糊控制和逻辑门限值控制气压a b s 的制动过程，并把仿真结果进 行对比，验证双模糊控制方法在控制精度和控制柔性等方面具有较大的优势 4 6 。47 | 。在a b s 控制系统的基础上，国外研究机构或学者在车辆稳定性控制方 面已进行了较多研究。t s e n g ，h e 、e d i n c m e n 等人建立了驾驶员意图识别模块、 车辆状态估计模块，确定了控制变量，采用差动制动的方式，研究制动控制策 略与制动力分配算法，使车辆按照驾驶员期望的路径行驶【1 4 8 。1 5 0 1 。b o s c h 公司 z a n t e n 等人研究了汽车稳定性控制的策略和算法，描述了e s p 的软硬件结构， 并进行了软硬件开发 1 5 1 。1 5 2 j 。j i a l l b ol u 、l i e b e m a l l l l 等人在现有汽车稳定性控制 系统的基础上，提出了升级方案，将差动制动与防侧翻控制相结合【1 5 3 。1 5 4 1 。目前， 国内一些高校和汽车研究机构针对车辆制动控制技术进行了一些初步研究。清 华大学汽车安全与节能国家重点实验室与武汉元丰联合开发了多款液压e s c 系 统，进行了硬件在环仿真，目前已进入路试阶剐1 5 5 。1 5 6 1 。上海交通大学振动、冲 击、噪声国家重点实验室对汽车底盘的控制策略和控制结构进行了研究，并建 立了硬件在环仿真试验台【1 5 7 1 5 8 1 。吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室研究了 汽车制动控制算法、车速估计方法，建立了硬件在环仿真试验台，较多成果已 在实际中得到应用 1 5 9 。1 6 1 1 。余卓平等人也进行了汽车制动控制技术方面的研究和 初期试验【1 6 2 。1 6 4 j 。 加州大学p a t h 实验室针对气压制动载重车的精确制动问题进行了分析，建 立了气压制动模型，对气压制动控制系统进行了鲁棒性设计，并实车验证了所 开发系统的有效性【1 6 5 】。李克强等人为了满足商用车辆纵向驾驶辅助系统对于自 动制动的要求，设计了一种基于高速开关阀的气压电控辅助制动装置；采用脉 宽调制方法动态调节高速开关阀，实现对车辆制动压力的主动控制。基于硬件 在环仿真试验平台，对其控制效果进行试验验证，缩短了制动系统的响应时间 u 6 6 j 。张建军等人c a n 网络中的时延问题，研究了硬实时周期任务与偶发任务 的混合调度算法，并在髓v 控制系统进行了仿真试验，验证了混合调度算法的 有效性 1 d 7 1 6 8 1 。周时莹、许红巧等人对c a n 网络的实时调度算法进行了研究， 仿真试验验证了调度算法能有效缩短信息传输时延，提高了通